汽車桿式半軸裂紋分析及預防措施

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

汽車桿式半軸是驅動橋總成中驅動車輪的關鍵零件，對汽車安全正常的行駛至關重要，工作時主要承受驅動和制動扭矩，此外還受一定的沖擊載荷，其結構特點是細長桿(見圖1)。

圖1 汽車桿式半軸

某公司在生產一批汽車桿式半軸過程中，發現該工件在中頻淬火后出現裂紋，立即對該批工件進行磁粉探傷檢測，發現共有7件有裂紋缺陷。該桿式半軸選用42CrMoH中碳合金結構鋼，具體工藝流程為:圓鋼下料—鍛造—調質處理—壓床校直—粗車加工—中頻感應淬火處理—自回火—校直—磨削加工—探傷—打標識—浸油包裝。進行調質熱處理的目的是提高工件的強韌性；對工件表面進行中頻感應淬火及自回火，其目的是增加表面的強度和壓應力，以增強工件的抗疲勞性能[1-2]。本文通過對有裂紋的桿式半軸進行化學成分分析、宏微觀斷口分析、顯微組織分析及感應淬火有效硬化層分析，目的是找到產生裂紋的主要原因并提出合理而有效的預防措施。

1 試驗方法

1.1 試驗原料

從有裂紋的工件上截取試樣，采用日本島津光電直讀光譜儀PDA-5500S測量其化學成分，其結果如表1所示，結果表明該材料化學成分符合GB/T 3077—1999《合金結構鋼》標準要求，但碳質量分數略高。

表1 失效汽車桿式半軸的化學成分 %

1.2 斷口宏觀形貌分析

用丙酮超聲波清洗有裂紋的桿式半軸，觀察發現裂紋在桿式半軸表面呈一字直線縱向分布，長200 mm左右。斷口宏觀形貌如圖2所示，裂紋向內延伸約12.8 mm，裂紋由粗變細且穿透淬硬層，在穿透淬硬層后呈無力狀、無分支。

1.3 斷口微觀形貌分析

在開裂處橫向截取試樣，經磨制、拋光后在光學金相顯微鏡下觀察，裂紋微觀形貌如圖3和圖4所示，裂紋尾部有非金屬夾雜物聚集。試樣經4%硝酸酒精溶液侵蝕后裂紋微觀形貌及顯微組織，如圖5～圖9所示，裂紋兩側無脫碳，裂紋內無明顯污物，淬硬層顯微組織為回火馬氏體組織，裂紋兩側的回火馬氏體組織無明顯差異；心部組織是回火索氏體組織；顯微組織正常并符合技術要求。

圖2 試樣斷口宏觀形貌

圖3 裂紋前部(未侵蝕)

圖4 裂紋尾部(未侵蝕)

圖5 裂紋前部

圖6 裂紋尾部

圖7 裂紋一側的顯微組織

圖8 裂紋另一側的組織

圖9 汽車桿式半軸心部組織

1.4 感應淬火有效硬化層深度分析

根據標準 GB/T 5617—2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》對試樣進行有效淬硬層深度檢測，用洛氏硬度計對該試樣進行硬度測試，測試結果見表2，感應淬火硬化層深度Ds=8.5 mm，有效硬化層深度滿足技術要求(Ds=7～10 mm)。

2 裂紋成因分析

經材料化學成分分析可知，桿式半軸材料中碳質量分數略高,雖對裂紋產生直接影響不大，但經調質、中頻感應淬火后，會使桿式半軸硬度提高而塑性降低。由圖2可以看出，裂紋兩側基本吻合，說明工件經過劇烈而反復鍛打壓力加工過程產生裂紋的可能性很小[3]。假設裂紋是鍛造產生的裂紋，則經過 860 ℃±10 ℃淬火，必然會產生明顯脫貧碳現象，但由圖5～圖9表明裂紋兩側無脫貧碳現象，說明調質處理前工件表面無裂紋。

假設該桿式半軸的裂紋是調質淬火產生的，則有裂紋的工件經感應淬火后硬化層深度分布是不均勻的。這是因為工件表面經中頻感應加熱時，若基體是均質無缺陷的材料，磁力線分布是均勻的，產生的渦流分布也均勻，從而使渦流影響區加熱均勻，再經快速淬火后硬化層深度分布是均勻的；若基體有裂紋等缺陷，缺陷內部空間中的磁導率下降，猶如“磁阻”，磁力線分布不均勻，缺陷處磁通密度增加，形成一個包絡缺陷的高密度渦流區，該區域被異常加熱，經快速淬火后硬化層深度分布是不均勻的，缺陷處硬化層深度值大[4]。由圖2試樣斷口宏觀形貌可以看出，該桿式半軸的硬化層深度是均勻的，所以可以判定裂紋為非調質淬火裂紋，即為中頻感應淬火裂紋。

汽車桿式半軸經中頻感應淬火時所產生的淬火應力一般由組織應力和熱應力兩部分疊加而成。由于該桿式半軸為細長軸，不僅在感應加熱過程中會形成較大的熱應力，尤其工件有聚集的非金屬夾雜物缺陷區域會被異常加熱，即此處熱應力最大；而且在快速冷卻過程中表層組織又迅速轉變成一定的硬化層，即產生一定的壓應力，中心冷卻收縮形成的熱應力遠大于組織應力，從而使中心也產生很大的拉應力，這種現象隨著截面尺寸的增大而加大，當材料中存在集中性非金屬夾雜物且沿軸間呈條狀和大塊聚集狀分布時，極易在工件夾雜物的薄弱區域形成應力集中而產生裂紋，并沿縱向夾雜物迅速擴展。由圖3和圖4可以看出，裂紋尾部有集中性非金屬夾雜物，所以該桿式汽車桿式半軸材料內存在的非金屬夾雜物以及感應淬火應力的作用是形成縱向開裂的主要原因。

3 結論及預防措施

(1)該汽車桿式半軸的裂紋是中頻感應淬火后產生的，為原材料非金屬夾雜物和淬火應力引起的淬火裂紋。

(2)嚴格控制原材料的成分及加強原材料的檢驗是避免汽車桿式半軸裂紋的有效方法。

(3)良好的設備維護，規范且負責任的操作及認真細致的定期檢測汽車桿式半軸工件，是提高桿式半軸工件質量的最好方法。